一種工業循環水系統的優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業公用工程系統，尤其是涉及一種應用于冶金、石油、化工等領域的 循環水系統。
【背景技術】
[0002] 循環水系統是電力、冶金、石化等行業的重要公用工程。循環水系統運行質量的高 低直接影響著企業的產能，關系著生產裝置和設備的運行安全、產品的產率和質量。據行業 統計顯示，循環水系統的循環用水量占工業用水量的80%左右，是工業制造尤其是石油化 工領域用水量最大的系統，且隨著工業化進程的推進，循環水系統的循環用水量所占比例 還將有所增大。同時，在循環水系統運行過程中，循環水的輸送和冷卻處理消耗大量的電 能，在石化企業正常運營的情況下，循環水系統的電耗約占全廠電耗的10-15 %，是石化行 業的耗電大戶。目前，循環水系統普遍存在計量不全、運行能耗大、自動化程度低等缺陷，其 節能降耗空間巨大。據科學推算，工業循環水系統的節能空間可達20%以上。
[0003] 目前，針對循環水系統優化的研宄工作主要集中在三方面：第一是針對循環水泵、 冷卻塔等單體設備的性能優化；第二是針對裝置端循環水子系統的循環水用量優化；第三 是針對包括冷卻塔、裝置用水單元在內的循環水系統的集成優化。這三方面的優化雖然在 一定程度上改善了系統設備的性能，降低了裝置的循環水用量。但目前的循環水系統優化 主要集中在循環水系統的局部方面，并未充分考慮各用水設備所需的壓頭、裝置內循環水 管網的壓力、現場用水設備的實際約束條件、循環水主管網的運行壓力等因素，沒有針對循 環水系統進行全流程優化，效果不甚理想，存在優化方案與現場實際應用相脫節的現象。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種工業循環水系統的優化方法，該方法綜合考慮了水流量 平衡、熱量平衡、水冷器、循環水泵、冷卻塔風機、循環水管網、現場實際條件等因素，優化方 案更加切合企業實際，節水節能效果更為顯著。
[0005] 為解決現有技術中存在問題，本發明包括以下步驟：
[0006] 一、以循環水用量最小為目標，根據各裝置循環水子系統的用水特點，，建立各裝 置循環水子系統的水量優化模型，確定各裝置循環水子系統的水量優化方案；
[0007] 二、在對各裝置循環水子系統進行水量優化的基礎上，根據各裝置循環水系統的 壓力特點，建立循環水系統的全流程模型，對循環水系統中的所有設備和管網的壓力進行 核算，并根據核算結果確定循環水系統的壓力優化方案；
[0008] 三、在各裝置循環水子系統水量優化和循環水系統壓力優化的基礎上，根據循環 水系統的運行要求，確定循環水系統的節電優化方案。進一步地，在所述步驟一中包括以下 步驟，
[0009] (一）以各裝置循環水子系統的循環水用量最小為目標函數，采用超結構方法建 立各裝置循環水子系統的超結構優化模型；
[0010] (二）對各裝置循環水子系統的超結構優化模型進行求解，并根據求解結果優化 各裝置循環水子系統的用水網絡；
[0011] (三）對優化后的各裝置循環水子系統的用水網絡進行驗證，并根據優化結果對 各裝置循環水子系統的用水網絡進行適應性調整或改造。進一步地，在所述步驟（一）中， 各裝置循環水子系統的超結構優化模型滿足以下條件，
[0012] ①以各裝置循環水子系統的循環水用量最小為目標函數
[0013] Min Ft=E Ft；J (1)
[0014] ②各裝置循環水子系統的水流量平衡約束為
[0015] fM+XFj,k Ni 紅、1 ⑵ k k
[0016] ③各裝置循環水子系統中水冷器進口的熱量平衡約束為
[0017] +Συ_ =(4 +Σ (3) k k
[0018] ④各裝置循環水子系統中水冷器進出口的熱量平衡約束為
[0019] +Σ^·^·τ,,?η +Qj =(^ + Σ^·.,)·^ ·^ V7-,J (4) k k
[0020] ⑤各裝置循環水子系統中水冷器進出口的溫度約束為
[0021] Tj,in < T- \fjeJ ⑴
[0022] Tji0ilt ^ T- VjeJ (6)
[0023] ⑥各裝置循環水子系統中水冷器的溫差約束為
[0024] ATj < ATJmx VjeJ (7)
[0025] ⑦整數變量約束為
[0026] Wj V7W (8)
[0027] Fj, < XhkUk yj,keJ (9)
[0028] Ρ]Λ < XuUj M/W (10)
[0029] ⑧各裝置循環水子系統的現場條件約束為
[0030] 夏季工況下進水閥門全開時仍不能滿足換熱負荷的水冷器只消耗來自冷卻塔的 循環水
[0031] Xtj = I yj,kej (11)
[0032] Xil = 0 V/,A e./ (12)
[0033] 距離較遠的水冷器之間不相互供水
[0034] Xil =0 ν/,Λ e/ ( 13)
[0035] 間歇水冷器不能向其他水冷器供給循環水
[0036] Xh, =0 V/,A G./ (14)
[0037] 間歇水冷器的循環水直接排至冷卻塔
[0038] Xjj =1 Vj,keJ (15)
[0039] 為了獲得用水量少且結構簡單的循環水用水網絡，水冷器的循環水來源數目須小 于水冷器的最大連接數
[0040] YdXj^k < yk&j (16)
[0041] 在（1)至（16)的公式中，J代表各裝置循環水子系統的水冷器集合，j，k表示水冷 器集合中的任意兩個不同水冷器，C w為水的比熱容，Ft為來自冷卻塔的冷卻水流量，FyS 水冷器j消耗的來自冷卻塔的冷卻水流量，Ft」為水冷器j消耗的來自水冷器k的冷卻水流 量，Fj， k為水冷器k消耗的來自水冷器j的冷卻水流量，F,為水冷器j排向冷卻塔的冷卻水 流量，#廣為水冷器的最大連接數，Q j為水冷器j的熱負荷，Λ T」為水冷器j的溫差， 為水冷器j的最大溫差，！\，_為冷卻塔的出口溫度，T」，_為水冷器j的出口溫度，T !^為 水冷器k的出口溫度，Tj，inS水冷器j的進口溫度，ΤΧΓ為水冷器j的極限進口溫度，為 水冷器j的極限出口溫度，％為水冷器j的最大冷卻水流量，U k為水冷器k的最大冷卻水 流量，Xu為〇、1變量，表示水冷器j是否使用來自于冷卻塔的冷卻水，X u為〇、1變量，表 示水冷器k是否使用來自于水冷器j的冷卻水，X11為0、1變量，表示水冷器j是否向冷卻 塔排水。
[0042] 進一步地，在所述步驟二中包括以下步驟，
[0043] (一）根據對各裝置循環水子系統進行水量優化的結果，建立包括循環水泵、循環 水管網、各裝置、冷卻塔在內的循環水系統的全流程模型；
[0044](二）根據循環水系統的全流程模型，分別對各裝置循環水子系統所需的壓頭與 循環水泵所供的壓頭、各裝置循環水子系統的出口壓頭與循環水場冷卻塔所需的壓頭進行 對比核算，并對各裝置循環水子系統所需的管網壓力按等級進行分類；
[0045](三）根據各裝置循環水子系統所需的管網壓力等級分布情況，將循環水系統主 管網分為高壓區和低壓區，并對循環水系統主管網進行適應性調整或改造，實行高壓高供、 低壓低供，對循環水進行梯級利用。
[0046] 進一步地，在所述步驟三中包括以下步驟，
[0047] ( -）在各裝置循環水子系統水量優化和循環水系統壓力優化的基礎上，再次搭 建包括循環水給水系統、各用水裝置循環水子系統、循環水回水系統在內的循環水系統全 流程模型；
[0048] (二）根據再次搭建的循環水系統全流程模型，對循環水系統主管網所需的壓力 和循環水量與循環水泵的實際壓頭和流量進行對比核算，同時對循環水系統的循環水量與 冷卻塔的實際處理量進行對比核算；
[0049] (三）根據上一步的核算結果，對循環水系統中的用電設備進行適應性調整或改 造，以滿足循環水系統的運行需求。本發明與現有技術相比具有以下優點：1)本發明綜合 考慮了水流量平衡、熱量平衡、水冷器、循環水泵、冷卻塔風機、循環水管網、壓力、現場實際 條件等多項因素，采用"先裝置、后系統，先水量、后壓力"的優化方法，搭建循環水系統的 全流程模型，針對循環水系統進行整體優化，優化方案更加切合企業實際的循環水系統；2) 基于本發明獲得的循環水系統優化方案能夠在保證循環水系統安全運行的前提下，最大限 度地減少循環水用量，降低循環水系統的運行壓力，節省循環水系統的電力消耗，節水節能 效果顯著，能有效降低循環水系統的運行成本，為企業帶來良好的經濟效益和節能效果。
[0050] 下面結合附圖所示具體案例對本發明作進一步詳細說明：
【附圖說明】
[0051] 圖1為某煉油企業循環水系統的工藝流程圖；
[0052] 圖2為某煉油企業循環水系統的主管網示意圖；
[0053] 圖3為本發明一種工業循環水系統優化方法的流程圖；
[0054] 圖4為某煉油企業循環水系統優化后的主管網示意圖。
【具體實施方式】
[0055] 圖1為某煉油企業循環水系統的工藝流程圖，該循環水系統為12套裝置的換熱設 備提供循環冷卻水，循環水系統配有5臺循環水泵和4座風機冷卻塔。圖2為該煉油企業 循環水系統優化前的主管網示意圖。
[0056] 本發明一種工業循環水系統優化方法的流程如圖3所示，【具體實施方式】包括以下 步驟：
[0057] 第一步，針對循環水系統的用水量進行優化，確定各裝置循環水子系統的水量優 化方案。
[0058] 在該步驟中，以滿足生產需要為前提，以12套裝置循環水子系統的循環水用量最 小為目標，綜合考慮每套裝置的用水特點、換熱負荷、換熱溫差等因素，建立各套裝置循環 水子系統的水量優化模型，在盡量不改動原有循環水系統的前提下，對裝置循環水子系統 的用水網絡進行改造，以最少的改造成本獲得循環水系統用水量最小、結構相對簡單的裝 置循環水子系統的用水網絡。
[0059] 具體地說就是：
[0060](一）以這12套裝置循環水子系統的